青岛首站变压器微机综保装置功能的研究与开发.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 青岛首站变压器微机综保装置功能的研究与开发 姓名：和艳丽 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：康忠健 20090601 摘要 变压器是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中线路的重要连接部分，其作用 是变换电压、汇集和分配电能。变压器能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全，因 此对变压器进行监控和保护具有十分重要的意义。一旦发生故障遭到损坏，其检修难度 大、时间长，易造成很大的损失；另外，发生故障后突然切除变压器也会对电力系统造 成或大或小的扰动。因此，对继电保护的要求很高。 变配电站计算机监控技术是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术对电 气设备进行监测、控制、计量和传输，从而改善供电质量，提高服务水平，减少运行费 用。力求供电最为安全、可靠、方便、灵活，经济性好，变配电管理更为有效。 本文以青岛首站变配电室6 k V 变压器微机综保装置为分析对象，确定了微机综保装 置的硬件和软件组成部分。而且参考了大量的微机保护资料，给出了准确的定值，对变 压器进行了电流速断及过电流保护，此外还有瓦斯及油温等开关量的保护。微机综保装 置和后台之间通信方式高速可靠。综上所述，对变压器保护在整体性能上有了显著的提 高和发展。 结果表明，变压器微机综保装置在对于变压器轻微故障的灵敏性、C T 饱和、通信 功能、故障、电磁兼容、配置应用等方面有了显著提高。试验和实际运行都表明该变压 器保护装置达到了较高的设计水平及应用水平。 关键词：变压器；微机综保装置；通信与监控系统；保护；测量 R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to fM i c r o c o m p u t e rP r o t e c t i o na n dM o n i t o r E q u i p m e n t t oT r a n s f o r m e ro ft h eF i r s tS t a t i o ni nQ I N GD A O H eY a n l i ( C o n t r o lT h e o r ya n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yA s s o c i a t eP r o f K a n gZ h o n g j i a n A b s t r a c t T r a n s f o r m e ri st h ei m p o r t a n te l e m e n ti np o w e rs y s t e ma n dt h ec o n n e c t i o np a r ti nm a j o r p o w e rl i n en e t w o r k , i t sr o l ei st ot r a n s f o r mv o l t a g ea n dt oc o l l e c ta n dd i s t r i b u t ee l e c t r i c e n e r g y W h e t h e rt h et r a n s f o r m e rc a nr u nn o r m a l l yb er e l a t e dt ot h es t a b i l i t ya n ds a f c 吐yo f e l e c t r i cs y s t e m ，t h e r e f o r ei ti s g r e a ts i g n i f i c a n tt om o n i t o r i n ga n dp r o t e c tt h et r a n s f o r m e r O n c et r a n s f o r m e rh a v i n gd a m a g e d ，i ti sv e r y d i f f i c u l t ya n dl o n gt i m ef o rm a i n t e n a n c et oc a u s e g r e a tl o s s e s ；M o r e o v e r , e x c i s i n gt r a n s f o r m e ri sc a u s i n gt h eb i go rs m a l lp e r t u r b a t i o nt ot h e e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma f t e rf a u l ts u d d e n l y T h e r e f o r e ，t h er e l a y - p r o t e c t i o nh a sb e e nr e q u i r e d v e r y h i g h C o m p u t e r m o n i t o r t e c h n o l o g y m a k eu s eo fm o d e r ne l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt om o n i t o r i n g ，c o n t r o l ， m e a s u r e sa n dt r a n s f e re l e c t r i c a le q u i p m e n ti nd i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o n T h e r e b y ，i tg a l le i t h e r i m p r o v ep o w e rq u a l i t ya n ds e r v i c el e v e lo rr e d u c eo p e r a t i n gc o s t T h ep o w e rs u p p l yi sv e r y s e c u r e ，r e l i a b l e ，c o n v e n i e n t , f l e x i b l ea n de c o n o m i c a l T h e r e f o r e ，d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ti s m o r ee f f e c t i v e T h i sp a p e rm o d e l so nm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c e st ot r a n s f o r m e ro f6 k Vf i r s ts t o p d i s t r i b u t i o nr o o mi nQ I N G D A O ，a n dd e t e r m i n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t so f c o m p u t e rs e c u r i t yd e v i c e A na c c u r a t et r i p s e t t i n gi sg i v e na f t e rt h er e f e r e n c et oal a r g e n u m b e ro fd a t ao nm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n T h e r ea r oc u r r e n tq u i c k - b r e a k i n gp r o t e c t i o na n d o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o nf o rt h et r a n s f o r m e rf a u l t , i na d d i t i o nt ot h eg a sa n do i lt e m p e r a t u r ee r e s w i t c h i n gp r o t e c t i o n C o m m u n i c a t i o ni sh i g h s p e e da n dr e l i a b l eb e t w e e nm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o nd e v i c ea n dt h eb a c k g r o u n d T os u mu p ，i th a sb e e ni m p r o v e da n dd e v e l o p e d m a r k e d l yf o rt h et r a n s f o r m e ro nt h eo v e r a l lp r o t e c t i o np e r f o r m a n c e T h er e s u l ts h o w st h a tm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c eh a sb e e ns i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t o nr u l e so fan l J n o rf a u l ts e n s i t i v i t y , C Ts a t u r a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , f a u l t , e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y , c o n f i g u r a t i o na n da p p l i c a t i o n s T e s ta n dp r a c t i c a lo p e r a t i o ns h o wt h a tt h e l r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nd e v i c ea c h i e v e sa h i g hl e v e lO nd e s i g na n da p p l i c a t i o n K e y w o r d s ：T r a n s f o r m e r , M i c r o c o m p u t e r P r o t e c t i o n a n dM o n i t o r E q u i p m e n t , C o m m u n i c a t i o na n dM o n i t o rS y s t e m ，P r o t e c t i o n , M e a s u r e m e n t 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：矗虽蚕盐玺垦垒i 逊兰宣 圣鳖置型苛台易研究孑彳笈 毕业院校：主国石油太堂( 堡丕) 毕业时间：垫地 论文类型：博士论文 口 硕士论文V 博士后研究报告口同等学力论文 口 授权人签字：吊旷靶厉 日期：2 0 0 9 年1 2 月2 0 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盈趋亟日期：删7 年z 月9 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：圣垫亟 指导撕签名：森盘她 日期：沙c f 年1 2 - 月7E t 日期：伽D c 7 年f 2 1 月7 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信 技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，继电保护技术未来趋 势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故 障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、 控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这 就要求微机保护装置具有相当于一台P C 机的功能。 变压器是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着我国电压 等级和电网复杂程度大大的提高，传统变电站一次设备和二次设备已无法满足降低变电 站造价和提高变电站安全与经济运行水平这两方面的要求。现在变电站所采用的综合自 动化技术是将站内继电保护，监控系统，信号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬 件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用 主动模式来代替常规设备的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。 随着微机保护装置的应用普及，继电保护二次系统的自动化水平得到不断提高。许 多当前由人工处理的模拟信息转化为大量的数字信息，而技术管理人员也有许多用计算 机实现的资料和试验记录文档。信息的数字化使得我们可以将不同的数据源有机地结合 起来，形成一个专业化的计算机应用系统。通过综合分析数据，对设备实际运行状况加 强了解，消灭故障隐患，进一步保障系统安全运行。 电力系统各种电压等级均通过电力变压器来转换，电压升高为升压变压器( 变电站 为升压站) ，电压降低为降压变压器( 变电站为降压站) 。一种电压变为另一种电压的 选用两个线圈( 绕组) 的双圈变压器，一种电压变为两种电压的选用三个线圈( 绕组) 的三圈变压器。 变电站除升压与降压之分外，还以规模大小分为枢纽站，区域站与终端站。枢纽站 电压等级一般为三个( 三圈变压器) ，5 5 0 k V 2 2 0 k V 1l O k V 。区域站一般也有三个电压 等级( 三圈变压器) ，2 2 0k V 1l O k V 3 5 k V 或1l O k V 3 5 k V 1 0 k V 。终端站一般直接接 第1 章绪论 到用户，大多数为两个电压等级( 两圈变压器) l l O k V 1 0k V 或3 5k V 1 0k V 。用户本 身的变电站一般只有两个电压等级( 双圈变压器) 11 0k V l O k V 、3 5 l ( v 0 4 k V 、l O k V 0 4 k V ，其中以l O k V 0 4 k V 为最多。 有两路以上进线，多路出线时，选用单母线分段，两路进线分别接到两段母线上， 两段母线用母联开关连接起来。出线分别接到两段母线上。 单母线分段运行方式比较多。一般为一路主供，一路备用( 不合闸) ，母联合上， 当主供断电时，备用合上，主供、备用与母联互锁。备用电源容量较小时，备用电源合 上后，要断开一些出线。这是比较常用的一种运行方式。 对于特别重要的负荷，两路进线均为主供，母联开关断开，当一路进线断电时，母 联合上，来电后断开母联再合上进线开关。 单母线分段也有利于变电站内部检修，检修时可以停掉一段母线，如果是单母线不 分段，检修时就要全站停电，利用旁路母线可以不停电，旁路母线只用于电力系统变电 站。 近年来，随着电网运行水平的提高，各级调度中心要求更多的信息，以便及时掌握 电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多地采用远方集中控制， 操作，反事故措施等，即采用无人值班的管理模式，以提高劳动生产率，减少人为误操 作的可能，提高运行的可靠性。另一方面，当代机技术，通讯技术等先进技术手段的应 用，已改变了传统二次设备的模式，为简化系统，信息共享，减少电缆，减少占地面积， 降低造价等方面己改变了变电站运行的面貌。基于上述原因，变电站自动化由“热门话 题 已转向了实用化阶段，电力行业各有关部门把变电站自动化作为一项新技术革新手 段应用于电力系统运行中来，各大专业厂家亦把变电站自动化系统的开发作为重点开发 项目，不断地完善和改进相应地推出各具特色的变电站综合自动化系统，以满足电力系 统中的要求。 1 2 微机综合保护及监控技术的发展历史及研究现状 1 2 1 微机综合保护及监控技术的发展历史 建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍 从无到有，在大约1 0 年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。5 0 年代，我国 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术， 建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继 电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的 继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在6 0 年代中我国已建成了继 电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代， 为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。 自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究。6 0 年代中到8 0 年代中是晶体管继电 保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的 5 0 0 k V 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护， 运行于葛洲坝5 0 0k V 线路上，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依靠从国外进口的时代。 在此期间，从7 0 年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到8 0 年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电路保 护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自 动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学与南京电 力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条2 2 0 k v 和 5 0 0 k V 线路上运行。 我国从7 0 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先 导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海 交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机 保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系 统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。 在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和变 压器组保护也相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制 的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研 制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故 障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的 微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、 工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也 第1 章绪论 取得了很多理论成果。 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。东南大学研制的微机主 设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以1 6 位多C P U 为基 础的微机线路保护，1 9 8 8 年即开始研究以3 2 位数字信号处理器( D S P ) 为基础的保护、 控制、测量一体化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐 全的3 2 位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采用3 2 位微机芯片并非只着眼于精 度，因为精度受A D 转换器分辨率的限制，超过1 6 位时在转换速度和成本方面都是难 以接受的；更重要的是3 2 位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度， 很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。C P U 的寄存器、数据总线、地 址总线都是3 2 位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高 速缓存( C a c h e ) 和浮点数部件都集成在C P U 内。 分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了 更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。9 0 年代中期，国内外 曾掀起一场“现场总线热 ，但是由于技术上的原因以及采用设备总线时信息量大且传 输较慢的特点，造成了现场总线存在多种标准，阻碍了其发展。以太网经过若干年的发 展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已十分便利的应用于 变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综 合自动化系统中有广阔的应用前景。 1 2 2 微机综合保护及监控技术研究现状 国外从8 0 年代初开始进行研究开发，到目前为止，各大电力设备公司都陆续地推 出系列化的产品，如A B B ，S I E M E N S ，H A R R I S 等公司。9 0 年代以来，世界各国新建 变电站大部分采用了全数字化的二次设备；相应地采用了变电站自动化技术；我国开展 变电站综合自动化的研究开发相比世界发达国家较晚，但随着数字化保护设备的成熟及 广泛应用，调度自动化系统的成熟应用，变电站自动化系统已被电力系统用户接受使用。 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、 多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力 系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而 且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、 测量、数据通信一体化。通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业， 提高变电站运行、管理水平的。微机综保是指将二次设备( 包括控制、保护、测量、信 号、自动装置和远动装置) 利用微机技术经过功能的重新组合和优化设计，对变电站设 备执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统，它是自动化和计算机、 通信技术在变电站领域的综合应用。其具有以下特征： ( 1 ) 功能综合化：将二次系统的功能综合考虑，在整个的系统设计方案指导下， 进行优化组合设计，以达到协调一致的继电保护及监控系统。“综合”( 咖G 】认肿) 并非指将变电站所要求的功能以“拼凑”的方式组合，而是指在满足基本要求的基础上， 达到整个系统性能指标的最优化。简化变电站二次设备的硬件配置，尽量避免重复设计。 简化变电站各二次设备之间的互联线，节省控制电缆，减少P T 、C T 的负载。力争克服 以前计量、远动和当地监测系统所用的变送器各自设置，不仅增加投资而且还造成数据 测量的不一致性。保护模块相对独立，网络及监测系统的故障不应影响保护功能的正常 工作；对于1 1 0 k V 及以上电压等级变电站，由于其重要程度，应考虑保护、测量系统分 开设置；而对于1 1 0 k V 以下低压变电站，就目前的技术应用水平及工程应用角度而言， 可以考虑将保护与测控功能合为一体的智能单元，这样不但利于运行管理及工程组合， 而且降低投资成本。减少安装施工和维护的工作量，减少总占地面积，降低总造价或运 行费用。提高运行的可靠性和性，保证电能质量。有利于全系统的安全、稳定控制。 ( 2 ) 系统构成的数字化及模块化：保护、控制、测量装置的数字化( 即采用微机 实现，并具有数字化通信能力) ，利于把各功能模块通过通信网络连接起来，便于接口 功能模块的扩充及信息的共享。另外方便模块的组态，适应工程的集中式、分布分散式 和分布式结构集中式组屏等方式。 1 3 课题的研究对象和研究内容与目的 1 3 1 课题的研究对象 由我们公司负责施工的青岛大炼油配套成品油管道工程青岛首站及潍坊站的1 0 k V 变配电室，高压柜均采用了带有微机综保的K N l 2 5 手车柜，低压柜采用M N S 抽屉柜 第l 章绪论 配套监控、通信系统。 根据青岛大炼油配套成品油管道工程青岛首站的电力负荷情况，两路进线均为主 供，母联开关断开，当一路进线断电时，母联自动合上，来电后断开母联再合上进线开 关。单母线分段也有利于变电站内部检修，检修时可以停掉一段母线。 表1 - 1 变压器参数表 T a b l e l 1T r a n s f o r m e rP a r a m e t e r sT a b l e 工程名称：青岛大炼油配套成品油管道工程首站及库区工程电气 设备名称规格型号数量 变压器保护高压柜K N l 2 5 手车柜2 台 变压器 S 96 3 0 K V1 0 o 4K V2 台 ( 1 ) 变压器微机保护二次回路包括：测量、保护、控制与信号回路部分。测量回 路包括：计量测量与保护测量。控制回路包括：就地手动合分闸、防跳联锁、试验、保 护跳闸以及合分闸执行部分。信号回路包括开关运行状态信号、事故跳闸信号与事故预 告信号。 ( 2 ) 计量与保护分别用各自的互感器( 计量用互感器精度要求高) ，微机保护一般 将计量及保护集中于一体，分别有计量电流端子与保护电流端t 电压测量回路，3 K V 以上高压系统全部经过电压互感器将各种等级的高电压变为统一的1 0 0 V 电压。 ( 3 ) 对于手车开关柜，手车推出后要进行断路器合分闸试验，应设计合分闸试验 按钮。 ( 4 ) 高压监控及通信系统的研究。 1 3 2 课题实现的任务 通过本论文的研究和现场应用，充分保证青岛首站变压器电力运行安全，实现以下 功能： ( 1 ) 变压器回路保护跳闸、报警功能正常 ( 2 ) 变压器回路保护定值计算安全可靠 ( 3 ) 变压器回路测量、通信功能正常 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 2 1 变压器微机保护的基本工作原理 变压器微机保护是根据变压器运行过程中发生故障时出现的电流增加、电压升高或 降低，出现瓦斯、温度升高等现象超过微机保护的整定值( 给定值) 或超限值后，在整 定时间内，有选择的发出跳闸命令或报警信号。保护逻辑框图如下图所示： 图2 - 1 保护逻辑框图 F i 9 2 1P r o t e c t i o nL o g i cD i a g r a m 7 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 根据电流值来进行选择性跳闸的为反时限，电流值越大，跳闸越快。根据时间来进 行选择性跳闸的称为定时限保护，定时限在故障电流超过整定值后，经过时间定值给定 的时间后才出现跳闸命令。瓦斯与温度等为非电量保护。 1 差动电流速断保护 采用三相差动电流中任一相大于差动电流速断定值时，瞬时动作出口，它不受任何 闭锁条件约束，快速切除变压器区内发生的严重故障。根据微机保护的特点，该保护判 据采用可变数据窗的两种算法实现。一种用于保护启动后初始阶段的快速判断，加快出 口动作速度；另一种计算准确，可以在启动一个周波后随时瞬动出口。整体效果类似“反 时限”的性能。保护判据为：乞，J 差动电流速断定值。 2 比率差动保护 该保护采用如下的保护动作判据公式，保护的动作特性曲线如图2 - 2 所示。 k ( k ) k 乞+ 。( k k )( k ) I D Z l G D I z D 图2 - 2 比率差动动作特性 F i 9 2 - 2O p e r a t i n gC h a r a c t e r i s t i c so fR a t i o - d i f f e r e n t i a lP r o t e c t i o n 该保护识别励磁涌流采用了二次谐波制动和波形不对称制动两种判据。二次谐波制 动判据有两种方案供选择：一种是按二次谐波和基波比值最大的相为制动判据；另一种 是分别选取三相差动电流中二次谐波和基波的最大值，并以它们的比值为制动判据。 按最大比值相制动：m 觚( k 2 k 。，k 2 k l ，匕2 k 1 ) 如 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 3 C T 饱和时的附加稳定特性 比率差动保护设有一个C T 饱和时的附加稳定特性区，对于发生在被保护变压器区 外的故障引起的C T 饱和，可以通过高值的初始制动电流( 1 c r ) 检测出来，此电流会将 工作点短暂的移至附加稳定特性区内。反之，当变压器区内故障时其工作点会立即进入 动作区，不会进入附加稳定特性区。因此，利用故障发生的最初半个周期内，测量的量 值引发的工作点是否在附加稳定特性区内，由此做出决定。一旦检查出外部故障引起 C T 饱和，装置自动闭锁了比率差动保护，并会在整定的时间( T c T ) 内一直有效闭锁， 直到整定时间到时，才解除闭锁。在外部故障引起的C T 饱和闭锁了比率差动保护期间， 如果此后发生故障变化，变压器区内也发生故障，工作点稳定地连续两个周期工作在动 作区内，闭锁会被立即解除，可靠地检查出被保护变压器发展中的故障而较迅速动作。 4 C T 断线判据 装置设有延时C T 断线报警及瞬时C T 断线报警功能。该瞬时C T 断线判据只针对 变压器各侧C T 接线均为Y 形接法的回路。具体方案如下： ( 1 ) 延时C T 断线报警：当任一相差流大于O 1 2 I n 的时间超过5 秒时，采样异常 告警信息并指示灯显示，但不闭锁比率差动保护。兼作为交流采样回路异常的自检作用； ( 2 ) 瞬时C T 断线采用比较变压器各侧电流的方法实现检测功能。判据如下：只有 一侧一相电流减4 , N 零，其它各侧电流不变的情况下，判为C T 断线。且在如下的条件 下不进行C T 断线判别：启动前某侧最大相电流小于O 1 I n ，该侧不判；启动后任一侧 相电流增加；启动后相电流大于1 2 I e 。瞬时C T 断线功能可以通过配置字选择投腿， 还可以选择是否闭锁比率差动保护，还可以选择相电流超过1 2 I e 时解除闭锁保护功能。 2 2 变压器微机保护的作用 变压器微机保护能够在变压器运行过程中发生故障( 三相短路、两相短路、单相接 地等) 和出现不正常现象时( 过负荷、瓦斯、超温、控制与测量回路断线等) ，迅速有 选择性发出跳闸命令将故障切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备 的损坏程度，保证电力系统稳定运行。微机保护主程序框图如下： 9 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 上电或复位 上 初始化1 ：二二二参调试至监； 运行 l 初始化2 = 一不通过- 告警 数据采集系统初始化 上 Q D B = lZ D B = 1 上 开放中断 上 等待6 0 m s整组复班 f JI I l 清零左右标志及计数器( 包括清零Q D B 和z D B ) 所有开出量返回f C X Y 嗤篓 自 检 循 环 通用自检项目 土 一保护专用自检项目 图2 - 3 微机保护主程序框图 F i 9 2 - 3M a i nP r o g r a mB l o c kD i a g r a mo fM i c r o c o m p u t e rP r o t e c t i o n 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 3 变压器微机保护按保护性质分类 ( 1 ) 电流速断保护：故障电流超过保护整定值无时限( 整定时间为零) ，立即发 出跳闸命令；电流延时速断保护：故障电流超过速断保护整定值时，带一定延时后发出 跳闸命令。 ( 2 ) 过电流保护：故障电流超过过流保护整定值，故障出现时间超过保护整定时 间后发出跳闸命令。 ( 3 ) 温度保护：变压器、电动机或发电机过负荷或内部短路故障，出现设备本体 温度升高，超过整定值发出跳闸命令或超温报警信号。 ( 4 ) 互感器二次线路断线报警：电流互感器或电压互感器二次侧断线会引起保护 误动作，所以在其发生断线后应发出断线信号；跳闸回路断线：断路器跳闸回路断线后， 微机保护发出跳闸命令断路器也不能跳开，所以跳闸回路断线时应发出报警信号。 ( 5 ) 单相接地保护：当一相发生接地后对于接地系统，发出跳闸命令，对于中性 点不接地系统，发出接地报警信号。 ( 6 ) 过负荷：运行电流超过过负荷整定值( 一般按最大负荷或设备额定功率来整 定) 时，发出过负荷信号。 ( 7 ) 瓦斯保护：对于油浸变压器，当变压器内部发生匝间短路出现电气火花，变 压器油被击穿出现瓦斯气体冲击安装在油枕通道管中的瓦斯继电器，故障严重，瓦斯气 体多，冲击力大，重瓦斯动作于跳闸，故障不严重，瓦斯气体少，冲击力小，轻瓦斯动 作于信号。 ( 8 ) 单相接地保护：当一相发生接地后对于接地系统，发出跳闸命令，对于中性 点不接地系统，发出接地报警信号。 ( 9 ) 差动保护：当流过变压器、中性点线路或电动机绕组，线路两端电流之差变 化超过整定值时，发出跳闸命令称为纵差动保护，两条并列运行的线路或两个绕组之间 电流差变化超过整定值时，发出跳闸命令称横差动保护。 2 4 微机保护的优点 ( 1 ) 可靠性高：一种微机保护单元可以完成多种保护与监测功能。代替了多种保 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 护微机器和测量仪表，简化了开关柜与控制屏的接线，从而减少了相关设备的故障环节， 提高了可靠性。微机保护单元采用高集成度的芯片，软件有自动检测与自动纠错功能， 也有提高了保护的可靠性。 ( 2 ) 精度高，速度快，功能多，测量部分数字化大大提高其精度。C P U 速度提高 可以使各种事件以m s 来计时，软件功能的提高可以通过各种复杂的算法完成多种保护 功能。 ( 3 ) 灵活性大，通过软件可以很方便的改变保护与控制特性，利用逻辑判断实现 各种互锁，一种类型硬件利用不同软件，可构成不同类型的保护。 ( 4 ) 维护调试方便，硬件种类少，线路统一，外部接线简单，大大减少了维护工 作量，保护调试与整定利用输入按键或上方计算机下传来进行，调试简单方便。 ( 5 ) 保护性好，性价比高，由于微机保护的多功能性，使变配电站测量、控制与 保护部分的综合造价降低。高可靠性与高速度，可以减少停电时间，节省人力，提高了 经济效益。 2 5 微机保护装置的特点 微机保护装置除了具有上述微机保护的优点之外，与同类产品比较具有以下特点： ( 1 ) 品种齐全：微机保护装置，品种特别齐全，可以满足各种类型变配电站的各 种设备的各种保护要求，这就给变配电站设计及计算机联网提供了很大方便。 ( 2 ) 硬件采用最新的芯片提高了技术上的先进性，C P U 采用8 0 C 1 9 6 K B ，测量为 1 4 位A D 转换，模拟量输入回路多达2 4 路，采到的数据用D S P 信号处理芯片进行处 理，利用高速傅氏变换，得到基波到8 次的谐波，特殊的软件自动校正，确保了测量的 高精度。利用双口R A M 与C P U 变换数据，就构成一个多C P U 系统，通信采用C A N 总 线。具有通信速率高( 可达1 0 0 M H Z ，一般运行在8 0 或6 0 f l - I Z ) 抗干扰能力强等特点。 通过键盘与液晶显示单元可以方便的进行现场观察与各种保护方式与保护参数的设定。 ( 3 ) 硬件设计在供电电源，模拟量输入，开关量输入与输出，通信接口等采用了 特殊的隔离与抗干扰措施，抗干扰能力强，除集中组屏外，可以直接安装于开关柜上。 ( 4 ) 软件功能丰富，除完成各种测量与保护功能外，通过与上位处理计算机配合， 可以完成故障录波( 1 秒高速故障记录与9 秒故障动态记录) ，谐波与小电流接地选线 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 等功能。 ( 5 ) 可选用R S 4 8 5 通信方式，支持多种远动传输规约，方便与各种计算机管理系 统联网。 ( 6 ) 集成度高、体积小、重量轻，便于集中组屏安装和分散安装于开关柜上。 2 6 变压器保护的技术问题探讨 2 6 1 提高励磁涌流和故障情况的识别 变压器差动保护中一个很重要的技术问题就是防止变压器励磁涌流引起差动保护 的误动。同时，当在保护区内发生各种故障时能够迅速动作切除故障，以保证变压器可 靠、安全运行。 提高励磁涌流识别的一个很重要的环节就是对输入保护中电流量匹配方法的处理。 在电力变压器中有电流流过时，通过变压器各侧T A 的二次电流不会正好完全平衡。因 此，变压器差动保护系统设计时必须考虑这些因素，只有使得经过各侧的电流合理匹配， 才能进行比较。 一般情况下，微机型变压器差动保护装置可以采用数学表达式来模拟变压器各侧电 流的匹配情况。其通常的编程系数矩阵数学表达式为： o = t 【】( 2 - I ) 式中， o 为匹配后的该侧电流厶、厶，厶的矩阵； 置为该侧变比平衡系数；【彳】为该侧相位平衡系数的矩阵；【】为该侧输入电流厶， 历，昆的矩阵。 如果采用零序电流补偿方式，其通常的编程系数矩阵数学表达式为： k = t 【彳】【k 】+ K 【厶】( 2 - 2 ) 式中，【厶】为该侧中性点零序电流的矩阵；蜀为该侧零序变比平衡系数。 例如，对于图2 4 所示的变压器接线情况，如果设定输入微机型变压器差动保护装 置的变压器主一次和主二次电流的各侧电流互感器均为星形接法，且同名端均在变压器 的外侧，那么保护装置中电流互感器联接组的变比匹配和相位修正方式可以采用如下两 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 种方式： I A lI A 2 与I I 匿 一础止= 了一 萎 = 墨 三苫 冬i Q - 3 ， 阱删堆 Q q 萎 = K 兰习 荔! + 蚝 蔓 Q 5 ， 笔 = K 三； 篷 Q - 回 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 采用通常方式的匹配方法，如果涌流判据采用最大相制动，那么故障相将受非故障 相电流的影响，因此，在变压器空投到故障时将延缓保护动作的时间，对变压器安全不 利；如果涌流判据采用故障相制动，那么在变压器空投时容易误动。然而，采用零序电 流补偿方式的匹配方法，当变压器空投到故障上时，故障相的电流为故障特征，非故障 相的电流为涌流特征，励磁涌流判据采用分相制动方式，可以明确区分励磁涌流和故障 特征，非故障相不会延缓故障相的动作速度，提高了保护对励磁涌流和故障的识别。 2 6 2 提高对匝间短路及高阻接地故障的灵敏度 为了更好的保证变压器的安全运行，能够可靠、安全地判别出变压器所发生的轻微 匝间短路和高阻接地故障等轻微故障，对提高变压器安全运行水平有着重要的意义。采 用故障分量差动保护是解决这一的有效。故障分量差动保护采用判别任一相差流是否满 足动作判据而动作的方法。该保护的动作特性曲线见图2 5 。 I d 3 7 I G D I r 图2 - 5 故障分量差动保护动作特性 F i 9 2 5O p e r a t i n gC h a r a c t e r i s t i co f F a u l tC o m p o n e n tD i f f e r e n t i a lP r o t e c t i o n 该保护动作判据的公式为： 醴d 芝醚d 盯 缱d 芝h 址r缱r 之址G D 第2 章变压器微机保护的作用及工作原理 屿岛q + ( K 一垦) M 聋 式中，刖玉7 为最小门槛值；局、局为比率制动系数；M a D 为拐点电流值；触 为制动电流的故障分量：她为差动电流的故障分量。 由于负荷电流在差动电流和制动电流中均被消除了，所以与故障前的负荷情况无 关。尤其是在制动电流方面的好处提高了差动保护的灵敏度。根据平衡相似的概念，故 障分量差动保护的动作性能上与故障电阻无关，或者说可以在较大的故障电阻下动作 ( 灵敏度高) 。因此，故障分量差动保护对变压器发生轻微匝问短路和高阻接地故障时 的灵敏度要比通常的保护高得多。 2 6 3 对电流互感器饱和的识别 一方面对于T A 的选型已经考虑或注意到了其暂态饱和的问题，如在高压系统或大 型发电机变压器组保护普遍设计采用T P Y 级电流互感器，以及选用带小气隙的P R 级电 流互感器等；另一方面要求保护装置本身具有一定的抗T A 饱和的能力，特别是抗暂态 饱和的能力。对保护装置采用的判别方法主要是利用T A 饱和后的电流特征确定。